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第二章微处理器CPU
第2章 微处理器
【内容提要】 微处理器是微型计算机中的核心芯片，是微机的心脏，是微机的运算中心和控制中心。8086CPU是美国Intel公司1987年推出的一种高性能的16位微处理器，主要用于构成早期的IBM PC/XT微型计算机，尽管CPU发展经历了80286、80386、80486及奔腾CPU，性能有很大的提高，但它们都和8086CPU属于同一系列机，8086CPU指令系统所提供的指令编制的程序在以上86系列CPU上都可以正确运行，所以，通过本章通过微处理器基本概念的介绍并通过8086CPU的基本组成、引脚功能、工作方式、存贮器管理及与总线连接方法的学习，使我们基本掌握微处理器基本组成和工作原理，这对于我们掌握微机系统基本工作原理具有很大的帮助。
【重点难点提示】本章的重点是掌握8086 CPU功能结构中的通用寄存器、指针及变址寄存器、标志寄存器、段寄存器的名称和用途，理解和应用存贮器地址的分段表示法及其物理地址的计算；掌握最大模式工作和最小模式工作的异同点，并通过在这两种工作模式下8086 CPU与总线的连接方法的学习，使我们对微处理器在整个微机系统中的地位和作用以及CPU的工作原理有了进一步的理解和掌握。本章的难点一是微处理器的基本组成和工作原理；二是理解8086CPU这些引脚信号的作用以及它们之间如何协同工作。
§ 2.1微处理器概述
2.1.1微处理器概念
微处理器即中央处理单元（Center process unit）,简称CPU，是计算机硬件中的一个具有运算能力和控制功能的，由算术逻辑单元、控制器、数据通路及若干寄存器组成，并采用大规模集成电路技术把其集成在一个芯片构成的核心部件。
2.1.2微处理器在计算机中的地位和作用
微处理器是计算机的核心部件，是整个计算机系统的运算中心和控制中心。CPU不仅能完成整个计算机的所有计算任务，而且，计算机中其它各个部件也是由CPU控制下完成各自工作的。
CPU是微机中的主要部件，微机的性能主要取决于CPU的性能。在微机发展的历程中，主要是由于CPU的不断更新换代带动了整体的发展，CPU的性能对微机的整体性能产生决定的影响。对于一台个人计算机，通常我们主要依据其CPU的型号来判断是第几代产品，此外，微机的型号也常用CPU的型号来描述的。如286机、386机、486机等。所有这些，都取决于CPU在整个计算机中的地位和作用。
2.1.3微处理器的功能
微处理器由运算器和控制器组成，运算器完成计算机的算术运算和逻辑运算，控制器用于产生控制计算机各部件协调工作的控制信号。计算机工作的实质是运行完成此工作对应的程序，而程序是采用计算机语言把工作的实现步骤或计划描述出来构成的指令有序集合。计算机执行程序时，首先由输入设备把构成程序的指令和数据输入到计算机存贮器中，以后，在CPU控制器控制下就自动完成取指令和执行指令的任务。运算器完成指令的算术运算和逻辑运算。即完成两个二进制数的加、减、乘、除算术运算和与、或、非等逻辑运算。而控制器负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序，其基本功能是取指令，分析指令和执行指令。
1.取指令
控制器能自动形成指令的地址，并能发出取指令的命令，将对应此地址的指令从存储器取到控制器中。
2.分析指令
控制器分析指令包括两部分内容，其一，分析此指令要完成什么操作，即控制器需发出什么操作命令；其二，分析参与这次操作的操作数地址。
3.执行指令
执行指令就是根据分析指令产生的“操作命令”和“操作数地址”的要求，形成操作控制信号序列，通过对运算器、存贮器以及I/O设备的操作，执行每条指令。
具体来说微处理器完成如下功能：
● 进行算术逻辑运算
● 可接收和发送数据
● 可暂存少量数据
● 提供控制各部件工作的控制信号
● 对指令进行解码
总之，CPU具有控制程序的顺序执行（指令控制）、产生完成每条指令所需的控制命令（操作控制）、对各种操作实施时间上的控制（时间控制）、对数据进行算术运算和逻辑运算（数据加工）和中断处理等功能。
一句话，CPU具有指令控制、操作控制、时间控制及数据加工和中断处理等功能。
§2.2微处理器的主要技术指标
1．时钟频率
CPU的时钟频率又分为内频和外频两种。
(1)内频
内频又称为主频，是CPU内部使用的时钟频率。通常所说CPU的频率就是指其内频，单位是MHz。例如PⅡ333的CPU，指的是奔腾2代的CPU，内频为333MHz。
(2)外频
外频又称为内存总线频率，单位也是MHz。早期CPU内部使用的时钟频率与内存总线上使用的时钟频率是相同的，后来使用了倍频技术，把外频经过若干倍倍频后，成为内频。比如：90MHz的CPU使用60MHz的外频，经过1.5倍倍频后成为90MHz；166MHz的CPU使用66MHz的外频，经过2.5倍倍频后成为166MHz。常见的外频有60MHz、66MHz、75MHz、83MHz、90MHz、100MHz、133MHz、166MHz等。
2．数据总线宽度
数据总线宽度决定了CPU与内存一次交换数据的最大位数，其宽度已从最初的8位发展到64位。多数情况下，CPU对内存的访问是访问连续的一段内存，所以在同样的频率下，数据总线越宽，完成访问的时间就越短。
3.地址总线宽度
地址总线宽度决定了CPU可以访问的内存大小，也称为寻址范围。最初的8088 CPU有20条地址线，所以可以访问1MB的内存。从80386CPU到奔腾CPU都使用32条地址线，所以可以访问4GB的内存。最新的CPU使用64条地址线，可以夸张地说，它的寻址范围是无限的。
4．供电电压
CPU的供电电压分为CPU核心电压和外部电压两种。在早期的CPU中这两者是统一的+5 V电压，随着CPU速度和集成度的不断提高，CPU的发热量也越来越大，降低CPU的电压可以减少发热量，但是如果CPU与外部进行信息交换的电压太低，其抗干扰能力就很弱，所以目前这个电压—般都使用3.3V，而核心电压可以降得更低。
⒌ 高速缓存
随着计算机技术的不断发展，CPU的工作速度越来越快，但是计算机的主内存(通常采用DRAM)的工作速度却没能迅速提高。SRAM的工作速度虽然很快，但因其价格太贵，不能用作主内存。为了解决这个矛盾，进—步提高计算机的速度，采用了SRAM做高速缓冲存储器，简称高速缓存。—般把CPU中的高速缓存叫做—级高速缓存，主板上的高速缓存叫二级高速缓存，而在高能奔腾等CPU中除了CPU核心的一级高速缓存外，同一封装还包括二级高速缓存，这时主板上的高速缓存退为三级高速缓存。
由于高速缓存的价格很贵，另外目前CPU访问主内存的速度是计算机工作的瓶颈，所以CPU中的高速缓存的数量就成为当代CPU的—项重要指标。
§2.3微处理器的产生与发展
微处理器的产生是集成电路工艺和计算机技术发展的产物，并且伴随其发展而发展。1971年10月，美国Intel公司首先推出了Intel4004处理器，这是一个实现4位并行运算的单片微处理器，构成运算器和控制器的所有原件都集成在一片大规模集成电路芯片上。现在看来这片微处理器性能不强，但它毕竟是人类第一个生产的微处理器，它为以后计算机发展起到了深远的影响。
从1971年第一片微处理器推出至今30多年的时间里，微处理器经历了四代的发展。
1971年－1973年为第一代。这是4位微处理器和低档8位微处理器的时期，其典型产品是Intel4004和Intel8008，字长分别为4位和8位，集成度约为2000管／片，时钟频率为1MHz，用在各种类型的计算器中已经完全满足要求。
1973年－1975年为第二代。这是8位微处理器时期，其典型产品是Intel8080和MC6800，集成度约为5000管/片，时钟频率为2MHz。
1975年-1977年为第三代。其典型产品是Intel8085、M6802和Z 80，字长为8位，集成度约为10000管/片,时钟频率为2.5－5MHz。
1978年－1980年为第四代。其典型产品是Intel8086、MC68000和Z8000，字长为16位，集成度约为30000管／片，时钟频率为5MHz。
1981年以后产生了第五代微处理器。这是32位微处理器时期，典型产品有：1983年，Zilog公司的Z8000；1984年Motorola公司的MC68020，其集成度为17万管/片；1985年夏，Intel公司的Intel80386，其集成度为27.5万管/片，时钟频率为16-25MHz；1989年，Intel公司将数学协处理器和高速缓存加到 80386芯片内，推出了80486微处理器。80486与80386完全兼容，但速度要比80386快，80486采用高集成度的超大规模集成电路，芯片内含有120万个晶体管，时钟频率可以达到100MHz。1993年3月，Intel公司推出64位的Pentium微处理器芯片，它采用比80486更高集成度的超大规模集成电路。Pentium与80386或80486完全兼容，采用32位地址线和64位收据线，地址范围为4GB，时钟频率可达500MHz甚至更高。目前，奔腾系列CPU有Pentium、Pentium Ⅱ、Pentium Ⅲ、Pentium IV，其中Pentium IV的集成度己达到4200万/片。
总之,微处理器自1971年问世以来，在短短的三十年时间里以极快的速度发展，几乎每隔2-3年就要更换一代，集成度、速度、性能越来越高，可靠性增加，成本降低，并且，微处理器的每次发展，都导致了以微处理器为核心的微型计算机的发展。
§2.4当今流行CPU简介
世界上生产CPU的厂家有多个，但比较有名的有Intel公司、AMD公司、Cyrix公司、IDT等公司，在CPU领域占主导地位的是Intel公司。
1．Intel公司的CPU
（1）Pentium ⅡCPU
Pentium ⅡCPU是Intel 公司在推出Pentium MMX系列后于1997年5月正式推出的又一个CPU产品，它是Pentium Pro的改进型，它的核心其实就是Pentium Pro+MMX,它支持MMX技术，同时将L1 Cache 提高到32 KB，并采用了独立双重总线结构，在速度上大幅度提高了运行频率。PentiumⅡ采用0.25μm、2.0 V 核心电压、4.4 ns Cache和100 MHZ总线等设计。其主频多是350 MHZ ~ 450 MHZ。此外，为了满足三维图形、图像及多媒体应用程序等可视计算机能力的需要，PentiumⅡCPU提供了整数运算、浮点数运算和多媒体等三方面的优异计算能力。
（2）Pentium Ⅲ CPU
Pentium Ⅲ CPU是Intel公司1999年第一季度新产品。产品设计上仍保持了0.25μm、半速512 KB Cache和Slot 1接口技术，有晶体管950万个，主频从450MHz和500MHz开始，最高可达1GHz以上。Pentium Ⅲ CPU具有片内32KB一级Cache和512KB二级Cache，可以访村问内存4GB~64GB（双处理器）。Pentium Ⅲ CPU具有合理的内存管理，使CPU Cache 和主存存取更趋合理，提高了系统整体性能。Pentium Ⅲ最重要的改进是采用了SSE指令，以增强三维和浮点运算能力。并在设计中考虑了互联网的应用。Pentium ⅢCPU具有一个流水线式的浮点运算单元，可支持32位64位和80位的浮点运算，它的另一个特点是处理器中包含了序列号，每个Pentinm Ⅲ 处理器都有一个特定的号码，用户既可以用它进行对机器认证，也可以用它进行加密，以提高应用的保密性。
（3）Celeron CPU
Intel公司为了抢占一段时期被AMD公司及Syrix公司占据的1000美元以下的低端PC市场，推出了Celeron（赛扬）系列CPU。 Celeron CPU是面向低端市场的产品，实际上它是Pentium ⅡCPU的精简产品。
（4）Pentium Ⅳ CPU
Intel公司于2000年11月20日正式推出Pentium Ⅳ微处理器。Pentium Ⅳ的运行速度为1.4 GHZ或1.5 GHZ，目前已提升到2.0GHZ以上。
Pentium Ⅳ采用0.18μm工艺的半导体制造技术，晶体管数为4 200万个，是Pentium Ⅲ的1.5倍。这种新型的处理器主要是针对互联网应用而设计的，其L1 Cache为8 KB，L2 Cache为256 KB，采用423针对的新型PC-BGA封装。
Pentium Ⅳ处理器第一次改变了自Pentium Pro以来PentiumⅡ、Pentium Ⅲ、Celeron等处理器一直采用的“P6结构”，而采用了被称为“Net Burst”的新结构。其管线（Pipe Line）的级数（Stage）增加到20级（PentiumⅢ为10级），使速度极限大大提高。其内部的算术逻辑运算电路（ALU）的工作频率为CPU内核频率的两倍，通过使整数运算指令以两倍于CPU内核的速度运行，提高了执行时的吞吐量，缩短了等待时间。Pentium Ⅳ新增加了144条称为Streaming SIMD Extensings 2的指令集，使浮点运算的准确度加大了一倍。Pentium Ⅳ的总线速度可达到400 MHZ，而Pentium Ⅲ仅为133 MHZ，由于总线速度的提升，可加速处理器与内存之间的数据传输，因此，Pentium Ⅳ可以提供更好的视频、音频及三维图形功能。
2．AMD公司的CPU
AMD公司的CPU产品主要有两大系列，一是基于Socket 7的K6系列。K6属于带有MMX技术的第6代微处理器，采用的是0.35微米工艺，5层金属制作技术，内置880万个晶体管，封装采用C4倒装片互联技术，充分利用了芯片空间。ADM K6的兼容性非常好，可与市场上的各种操作系统，6万多种其它软件MMX多媒体应用软件兼容。此外，AMD K6最吸引人的优点就是它的性价比非常高，价格非常便宜，但性能完全能与Pentium MMX相媲美。AMD公司的CPU另一个系列产品是基于Slot A的K7系列。K7系列是AMD公司为了抢占被Intel 公司的Pentium Ⅲ所盘踞的高端PC和服务器市场而推出的中高档CPU。
2．5微处理器的内部结构与基本功能
(1)概述
微处理器的内部结构受大规模集成电路制造工艺的严格约束，表现为芯片的面积不能过大，芯片引脚的数量也不能过多。因此，通用微处理器的内部结构及其同外部电路的连接方式，都有比较严格的规定。微处理器外部一般采用上述三总线结构；内部则采用单总线即内部所有单元电路都挂在内部总线上，分时享用。
一个典型的8位微处理器的结构如图1-4所示，主要包括以下几个重要部分：累加器，算术逻辑运算单元(ALU)，状态标志寄存器，寄存器阵列，指令寄存器，指令译码器和定时及各种控制信号的产生电路。
图2-1 典型8位微处理器结构
(2) 累加器和算术逻辑运算部件
累加器和算术逻辑运算部件主要用来完成数据的算术和逻辑运算。ALU有2个输入端和2个输出端，其中一端接至累加器，接收由累加器送来的一个操作数；另一端通过数据总线接到寄存器阵列，以接收第二个操作数。参加运算的操作数在ALU中进行规定的操作运算，运算结束后，一方面将结果送至累加器，同时将操作结果的特征状态送标志寄存器。
累加器是一个特殊的寄存器，它的字长和微处理器的字长相同，累加器具有输入／输出和移位功能，微处理器采用累加器结构可以简化某些逻辑运算。由于所有运算的数据都要通过累加器，故累加器在微处理器中占有很重要的位置。
(3) 寄存器阵列
①通用寄存器组：可由用户灵活支配，用来寄存参与运算的数据或地址信息。
②地址寄存器：专门用来存放地址信息的寄存器。
③指令指针IP：它的作用是指明下一条指令在存储器中的地址。每取一个指令字节，IP自动加1，如果程序需要转移或分支，只要把转移地址放入IP即可。
④变址寄存器SI，DI：变址寄存器的作用是用来存放要修改的地址，也可以用来暂存数据。
⑤堆栈指示器SP：用来指示RAM中堆栈栈顶的地址。SP寄存器的内容随着堆栈操作的进行，自动发生变化。
(4) 指令寄存器，指令译码器和定时及各种控制信号的产生电路
①指令寄存器IR用来存放当前正在执行的指令代码；
②指令译码器ID用来对指令代码进行分析、译码，根据指令译码的结果，输出相应的控制信号；
③时序逻辑产生出各种操作电位、不同节拍的信号、时序脉冲等执行此条命令所需的全部控制信号。
(5) 内部总线和总线缓冲器
内部总线把CPU内各寄存器和ALU连接起来，以实现各单元之间的信息传送。内部总线分为内部数据总线和地址总线，它们分别通过数据缓冲器和地址缓冲器与芯片外的系统总线相连。缓冲器用来暂时存放信息(数据或地址)，它具有驱动放大能力。
§2.6微处理器的结构组成及工作原理
2.6.1微处理器的结构组成
前面我们介绍了CPU的功能，根据CPU的功能不难设想微处理器的结构组成。要取指令，必须有一个寄存器专用于存放当前指令的地址；要分析指令，必须有存放当前指令的寄存器和对指令操作码进行译码的部件；要执行指令，必须有一个能发出各种操作命令序列的控制部件CU；要完成算术运算和逻辑运算，必须有存放操作数的寄存器的实现算术逻辑运算的部件ALU；为了处理异常情况和特殊请求，还必须有中断系统。可见，CPU由CU、ALU、寄存器和中断系统四大部件组成。
⒈CPU中的寄存器
CPU中设置寄存器的目的是为了加快CPU的运算速度。CPU中的寄存器大致可分两类；一类属于用户可见寄存器，用户可对这类寄存器编程，以及通过优化使CPU因使用这类寄存器而减少对主存的访问次数。另一类属控制和状态寄存器，用户不可对这类寄存器编程，它们被控制部件使用，以控制CPU的操作，也可被带有特权的操作系统程序使用，从而控制程序的执行。
⑴用户可见寄存器
通常CPU执行机器语言访问的寄存器为用户可见寄存器，按其特征又可分为以下几类。
①通用寄存器
通用寄存器可由程序设计者指定许多功能，可用于存放操作数，也可用来存放存贮单元地址码，或存放用于计算存贮单元地址的有关参数。
② 数据寄存器
数据寄存器用于存放操作数，其位数应满足多数数据类型的数值范围。
③地址寄存器
地址寄存器用于存放地址。地址寄存器的位数必须是足够长，以满足最大的地址范围。
④条件代码寄存器
条件码是CPU根据运算结果由硬件设置的位。如算术运算会产生正、负、零或溢出等结果。将条件码放到一个或多个寄存器中，就构成了条件码寄存器，有的称为标志寄存器。
条件码寄存器中的条件码可被测试，作为分支运算的依据。一般来说，条件码是允许读出测试，不允许修改，但有些条件码也可被设置，如最高进位位标志C，可用指令对它置位和复位。
⑵控制和状态寄存器
CPU中还有一类寄存器用于控制CPU的操作或运算。
①MAR存贮器地址寄存器：用于存放将被访问的存储单元的地址。
②MDR存储器数据寄存器：用于存放欲存入存贮器中的数据或最近从存贮器中读出的收据。
③PC程序计数器：存放现行指令的地址，通常具有计数功能。当遇到转移类指令时，PC的值可被修改。
④IR指令寄存器：存放当前欲执行的指令。
通过这4个寄存器，CPU和主存可交换信息。在CPU的控制和状态寄存器中，还有用来存放程序状态字PSW的寄存器，该寄存器用来存放条件码和其它状态信号，它也属于用户可见寄存器。此外，在具有中断系统的机器中，如8086CPU中断系统中所使用的中断控制器8259A，就有中断请求寄存器、中断屏蔽寄存器、中断服务寄存器这三种类型的中断标记寄存器，它用来记录中断处理的状态。
⒉控制单元CU
控制单元CU是提供完成机器全部指令操作的部件。它是由指令译码器和定时与控制逻辑部件组成。其中指令译码器通过对取自指令寄存器的指令进行译码，产生出完成本条指令所需的所有控制信号，这些信号通过内部总线送到定时与控制部件，加上时间控制，就会按照一定的时序产生不同起始时间、不同宽度的一系列时序控制信号，通过控制总线分别加到计算机的各部件上，就会在不同时间启动各个部件，并维持不同时间间隔工作，从而使各部件按照一定时序关系，相互协调、相互配合完成指令要完成的任务。
⒊中断系统
计算机在执行程序过程中，会出现各种突发事件，如电源突然掉电、机器硬件突然出现故障、要实现人机联系、或控制现场出现异常等情况，需要计算机暂时中断现行程序，转去执行中断服务程序，以解决这些异常情况，完成后再接着运行原有程序。所以，中断是现代计算机能有效合理地发挥效能和提高效率的一个十分重要的功能。为了提高计算机的效率，增强计算机的灵活性，现代计算机都设有中断系统。中断控制器8259A是构成计算机中断系统的主要部件，在后边的章节中，我们要详细学习中断的概念和8259A中断控制器的使用方法。
⒋算术逻辑单元ALU
算术逻辑单元ALU是既能完成算术运算又能完成逻辑运算的部件，ALU由门电路和连线构成。现在ALU电路已经制成集成电路芯片，如74LS181就是一个四位2进制代码的数术逻辑运算部件，通过多个74LS181芯片以及先行进位部件74LS182有效连接，我们就可以构成多位快速算术逻辑部件。
此外在CPU的结构中，还有一些累加器缓冲器、收发器、暂存器、锁存器等，这些实际都属于寄存器，是根据其在CPU中所起作用或所存信息的特征来命名的。
①累加器：既可以为ALU提供运算数据，又可以保存ALU运算结果的寄存器，在ALU中只有一个。
②锁存器：具有保护功能，使其被存数据不被破坏的寄存器。如后面我们要详细介绍的8282锁存器。
③暂存器：用于临时存放数据的寄存器。
④缓冲器：在数据传送中起弥补两边速度差异、起缓冲作用的寄存器。
⑤堆栈指针SP：用于存放堆栈栈顶单元地址的寄存器。
⑥指令指针IP：用于存放要执行指令在内存单元地址码的寄存器。
图2-1为一个8位微处理器的内部结构框图。
双向数据总线

通用寄存器组
数据总线缓冲器/锁存器
暂存寄存器
TMP(8)
标志寄存器
F(8)
累加锁存器ACT
累加器
A(8)
算术逻辑单元
AUL(8)
指令寄存器
IR(8)
指令译码器
ID
十进制调整
定时与控制 PLA

中断 I/O 存储器 复位
请求 写 读 请求 请求 等待 时钟
多路转换开关
寄存器选择电路
堆栈指针SP(16)
程序计数器PC（16）
加1减1器/地址锁存器
内部数据总线
地址缓冲器（16）

地址总线

图2-1 8位微处理器的内部结构框图
2.6.2微处理器的基本工作原理
CPU是计算机的核心部件，CPU的基本工作原理，实际为计算机的基本工作原理。
计算机是一种高速运算设备，具有存贮能力和自动工作功能。计算机的自动工作是通过CPU运行村放在内存中程序，在控制器控制下，控制计算机各部件协调工作完成的。具体过程如下：
⒈程序数据输入
在CPU控制器控制下，由计算机输入设备将要运行程序和数据通过I/O接口由总线输入到计算机存贮器中存贮起来。
⒉运行程序
当用户在计算机上通过运行程序命令后，下面整个程序的运行就由控制器控制完成。由于程序是完成程序功能需要的指令的有序集合，所以，计算机执行程序的过程就是CPU顺序执行指令的过程。
CPU执行每条指令时由两个阶段构成，首先是取指阶段。取指阶段完成取指令和分析指令的操作。CPU通过总线将指令从存贮器中取出送到数据总线缓冲器/锁存器，然后通过CPU内部数据总线送到指令寄存器，从而完成取指操作。然后，CPU控制从指令寄存器取出指令，送到指令译码器进行指令译码，产生出完成此指令所需的所有控制信号，再将这些信号送到“定时与控制逻辑”，经过定时，就产生了完成此指令所需的不同起始时间、不同宽度的时序控制信号，完成了指令的分析，从而进入了指令的执行阶段。
在执行阶段，由于经过定时与控制逻辑已经产生了完成此指令的时序信号，这些信号通过总线中的控制总线加到计算机的各个部件上，使有关部件启动运行维持到有效信号结束，从而控制各部件相互协调一致完成指令的执行。计算机的指令很多，每种指令完成的功能不一样，所以指令执行阶段启动工作的部件也不一样。如果指令为算术逻辑运行指令，则在执行阶段首先要取操作数。指令中操作数有些放在CPU中的通用寄存器内，有些放到内存中。如果放在通用寄存器中，则在控制器控制下，由内部收据总线将数据送到暂存寄存器；如果放在内存中，还要经过地址变换，计算得出内存单元的物理地址，再由此地址取出所存数据，经系统总线→数据总线缓冲器→锁存器→内部数据总线，送到累加器、锁存器或暂存寄存器中，等ALU两个收据输入端数据准备完毕，在控制器控制信号作用下，ALU开始运算，在控制器控制信号作用下，ALU开始运算，运算结束，将运算结果存放到累加器，再传送到锁存器锁存起来，从而完成运算过程。ALU运算时，同时将运算结果信息存入到标志寄存器中，供后继指令测试用。
总之，大多数情况下，CPU就是按“取指→执行→再取指→再执行…”的顺序自动工作的，从而完成整个程序的运行。
⒊结果输出
程序运行结束，CPU通过执行I/O指令，将运算结果通过总线送往输出设备对应的输出接口，再由输出接口送往输出设备完成结果的输出。
2.7 8086微处理器
2.7.1 8086CPU概述
8086微处理器是美国Intel司1978年推出的一种高性能的16位微处理器。它采用HMOS工艺，由约2.9万个晶体管组成，采用40引脚的双列直插式封装，使用单一的+5V电源，5MHz时钟，有16根数据线，20根地址线，寻址空间达到1MB。
2.7.2 8086 CPU特点
8086CPU具有丰富的指令系统，采用多级中断技术、多重寻址方式、多重数据处理形式、段式存贮器结构、硬件乘除法运算电路，增加了预取批令的队列寄存器，并且具有最大工作模式下与8087协处理器及8089 I／O处理器等组成多处理机系统等特点，所以具有很强的数据处理和输入／输出能力。另外，与8086配套的各种外围接口芯片非常丰富，极大的丰富了用户开发各种应用系统。正因为8086 CPU具有以上特点，所以一问世就显示出了强大的生命力。著名的个人计算机IBM PC/XT就采用了8086作为其核心部件。在这以后，Intel公司又陆续推出80286、80386、80486及现在正在流行使用的奔腾CPU都属于同系列芯片，所以，8086 CPU为微机发展做出了极其重要的贡献。
2.7.3 8086 CPU的外部引脚及其功能

图2-2 8086 的引脚信号
8086CPU的外形如图2-2所示。8086 CPU采用40脚DIP封装。按功能可把这些引脚分为收据线、地址总线和控制总线三类。在学习这些引脚功能时，应注意下列问题：
⒈8086CPU具有二种工作模式，最大工作模式和最小工作模式。
CPU可通过给33号引脚加高电平或低电平，使其工作于最小工作模式或最大工作模式。
在最小模式工作时，属于单处理机系统。即系统中只有8086CPU，所有的总线控制信号均由8086CPU产生，这种系统的总线控制逻辑电路最简单，当然数据处理能力和I／O能力相比较弱。
在最大模式工作时，属于多处理机系统。即系统中有多个处理器，其中8086 CPU作为主处理器，8087为协处理器，增加了浮点处理能力。此外，为了增强I／O能力，又增加了8089I／O处理器，把原来由8086控制外设I／O的任务交给8089I／O处理器承担，减轻了8086 CPU的负担，提高了系统的处理能力。此外，在最大工作模式下，系统功能比较强，8086 CPU引脚不够用，所以增加了8288总线控制器，一部分总线信号由8088产生。由于在多处理器系统中出现多个处理器争用总线使用权情况，所以，还必须增加8289总线仲裁器以解决总线使用纠纷问题。
⒉部分引脚具有复用功能。
CPU为了减少芯片上的引脚数目，采用了分时使用引脚功能。如引脚2－引脚16及引脚39，有时作为地址线使用，有时作为数据线使用。而引脚35－引脚38为地址／状态线分时复用引脚，即有时输出高4位地址，有时输出状态信号。
⒊最小工作模式和最大工作模式下部分引脚有不同意义。
为了在引脚图上明确，部分引脚名称后加有括号，括号内名称为最大工作模式下的引脚意义标识。
⒋有些引脚作为输入信号，有些引脚作为输出信号，有些引脚可实现双向传送，为了明确传送方向，在引脚图中分别采用“←”、“→”、“←→”等加以标识
⒌有些引脚高电平有效，有些引脚低电平信号有效，在引脚图中用引脚名称上加“—”标识为低电平有效。如、、等。
⒍ CPU引脚上信号的出现取决于CPU当前执行什么指令，指令不同，引脚上出现的信号不同。
2.7.4 8086CPU与总线的连接
⒈8086CPU与总线连接时所使用芯片介绍
8086CPU在与总线连接时，是把CPU引脚对应与总线上的地址线、数据线、控制线及电源线连接，但由于8086CPU的地址线和数据线为公用线，只能分时使用，所以为了保证信息传输正确，需要在CPU引脚与系统总线地址线间设立地址锁存器，以便在公用线上传输数据信号前，将有效地址信号锁存在锁存器中，供系统调用。8086CPU在与总线连接时通常使用8282地址锁存器来锁存CPU发出的地址信号。
CPU的数据线在与总线的数据线连接时，为了增加驱动能力和对数据信号传输的有效控制，需要使用数据收发器来对数据进行收发控制，通常使用8286收据收发器来实现CPU数据线与总线数据线之间的连接。
8086CPU有两种工作模式，即最小工作模式和最大工作模式。在最大工作模式下为多处理器工作方式，所以系统中除了8086微处理器外，还增设有处理浮点数运算的8087协处理器和为了增强系统输入/输出能力设立了8089I/O处理器。很显然，在最大工作模式下系统功能较强，系统中有多个处理器，增加了系统控制难度，控制信号肯定要增加，这时，8086的有限引脚已经不能满足系统要求，所以这时要增加8288总线控制器，整个系统信号部分由8086产生，部分由8288总线控制器产生。故在8086最大工作模式下需要在8086引脚与系统总线中控制总线间增设8288总线控制器。8288由状态译码器、命令信号发生器、控制信号发生器及控制电路四部分组成。8288接受8086CPU送来的总线状态信号2、1、0 经过状态译码器译码后，与有关输入控制信号相配合，便产生总线命令和控制信号。
中断功能是计算机中使用的很重要的技术，8086计算机的中断控制是由8259A中断控制器完成的。
通过以上分析，8086与系统总线连接时，需要使用8282地址锁存器、8286数据收发器、8087协处理器、8288总线控制器、8089I/O处理器和8259A中断控制器，下面我们简单介绍常见的总线接口芯片8282地址锁存器和8286数据收发器。
⑴ 8282地址锁存器
锁存器是由多个D触发器构成的暂存器。由于每个D触发器能保存一位二进制信息0或1，所以，通常我们所指几位锁存器就是指由多少个D触发器构成的。8086CPU与总线连接时通常采用8282锁存器或74LS373锁存器。这两种锁存器都是8位锁存器，也就是说它们都是由8个D触发器构成，一次最多可以暂时存贮8位二进制信息。
在8086CPU与系统总线连接时，通常采用锁存器用于暂存总线上的地址信息。采用锁存器来暂存地址信息的原固是8086CPU引脚上的ADO-AD19这20个引脚是地址线和数据线的复用线，即在CPU与存贮器或I/O设备交换信息时，在ADO-AD19二十根线上首先传送的是CPU发出的存贮器或输入／输出端口的地址信息。当ADO-AD19用于传送数据信息（AD0-AD15）或状态信息（AD16-AD19）之前时，因为20位地址信息在以后CPU读写工作时还需要其提供存贮单元地址或I/O端口地址，在数据信息或状态信息到来前必须先将这20位的地址信息暂存起来，这个用于暂存地址信息的部件就采用锁存器。
8086CPU系统常采用8282芯片作为地址锁存器。8282锁存器外部引脚图和内部结构图如图2-4所示。8282为8位的锁存器，共有20条引脚。即8根输入引脚DI0~DI7；8根输出引脚DO0~DO7；2个控制引脚STB和；2个电源线（地，+5V），在其内部结构图中可以看出，每个输入端DI和对应输出端DO通过D解发器和一个三态门相连。三态门也称三态输出电路，由两个或非门和两个NMOS晶体管（T1和T2）及一个非门组成，如图2-3所示。

图2-3 (a) 三态门电路 (b) 电路符号
三态门A端为输入端，B端为输出端，A端信号要传送到B端受选通端E信号的控制。当E端为高电平1时，通过非门而加到两个或非门的将为低电位，则两个或非门的输出状态将决定于A端的电位。当A为高电位，G2就是低电位，而G1为高电位，因而T1导通而T2截止，所以B端也呈现高电位（VB≈VDD）；当A为低电位，因而T1截止而T2导通，所以B也呈现低电位（VB≈0）。故选通端E=1，为高电平时，A与B导通 ，B=A。
当E=0为低电位时，通过非门加至两个或非门的将为高电平。此时，无论A为高或低电位，即G1与G2都是低电位。所以T1和T2同时都处于截止状态，故A端和B端不相通，即它们之间存在着高阻状态。三态门电路的通断状态可用如下表表示。
表2-4 三态门输出电路逻辑表
E选通
A
B
状态
0
0
高阻
A与B不导通
1
高阻
1
0
0
A与B导通
1
1
很明显，该输出电路有三种状态：不导通、0、1且由E控制A与B的导通，起门作用，这就我们将其称之为三态门的原因。三态门也称E门，是计算机组成电路中一个很重要的电路，通常将E门加到寄存器的输出端，由E门负责对寄存器输出数据的控制。
在介绍了三态E门的电路组成及控制原理后，对8282锁存器的控制过程我们就很容易理解。图2-4为8282锁存器，其中，（a）为引脚图，（b）为内部逻辑图。在图中我们可以看到，每个DIi与DOi对应，通过一个D触发器和一个E门连接。D触发器起存贮DIi信号作1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
DI0
DI1
DI2
DI3
DI4
DI5
DI6
DI7

GND

Vcc
DO0
DO1
DO2
DO3
DO4
DO5
DO6
DO7
STB

8282
(a)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7

GND
Vcc
B0
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
T

8286
(a)

D
CLK
DO0
DO1

DO2
DO3

DO4

DO5

DO6

DO7

DI4

DI5

DI6

DI7

DI3

DI2

DI1

DI0
1
1
STB

8282/74LS373
A0
B6

A7